CC BY
15
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.313; 621.372.632; 621.3.07
ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТАВА ТОКА, ПОТРЕБЛЯЕМОГО КОМПЛЕКСАМИ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Д.И. Попов
Статья посвящена сравнительному анализу влияния на сеть электротехнических комплексов, предназначенных для проведения нагрузочных испытаний асинхронных машин с применением метода взаимной нагрузки, который позволяет эффективно использовать электрическую энергию, вырабатываемую нагрузочным генератором, для питания испытуемого двигателя. Математическое моделирование выполнено для режима номинальной нагрузки асинхронных двигателей мощностью 0,37, 5,5 и 37 кВт. Анализ результатов математического моделирования позволил выявить, что схема с нагрузочной машиной постоянного тока, имеющая только один преобразователь частоты, имеет меньшие значения коэффициента искажения синусоидальности тока, чем схема с асинхронной нагрузочной машиной, имеющей в своем составе два преобразователя частоты. Относительно высокие значения амплитуд субгармоник в последней схеме объясняются одновременной работой двух источников, формирующих переменное напряжение с различной частотой путем широтно-импульсной модуляции. Сравнение потерь в разных схемах испытаний, показывает, что схема с нагрузочной машиной постоянного тока является менее энергоэффективной при больших мощностях машин, за счет того, что номинальный КПД у машин постоянного тока большой мощности, как правило, несколько ниже, чем номинальный КПД у асинхронных машин той же мощности.
Ключевые слова: испытательный комплекс, гармонический анализ, асинхронная машина, метод взаимной нагрузки.
Асинхронные машины находят широкое применение в качестве приводных двигателей самых различных механизмов. Не смотря на относительно высокую надежность асинхронных двигателей, длительные сроки службы и тяжелые условия эксплуатации приводят к появлению ряда неисправностей: пробою изоляции на корпус, замыканию между витками обмотки статора, выгоранию стали, искривлению вала, нарушению работы подшипников и др.
По окончанию выполненных ремонтно-восстановительных работ перед вводом машины в эксплуатацию согласно нормативным документам, установленным для определенного типа оборудования, например, [1, 2], проводится ряд необходимых приемосдаточных испытаний.
Приемосдаточные испытания проводятся не только в ремонтных предприятиях, но также и на предприятиях-изготовителях [3, 4]. Испытаниям данной категории должна подвергаться каждая машина с целью проверки соответствия ее параметров основным техническим требованиям при минимальных затратах времени.
Наиболее энергоемким видом испытаний данной категории являются испытания на нагрев при часовой номинальной нагрузке. Данный вид включается также в программу приемочных, типовых и периодических испытаний.
Одним из основных способов снижения капитальных затрат на проведение испытаний является повышение их энергетической эффективности.
Для реализации данной цели разработан ряд энергосберегающих схем для применения в электротехнических комплексах, обеспечивающих проведение испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки [5, 6, 7, 8, 9, 10]. Данный метод позволяет использовать электрическую энергию, вырабатываемую нагрузочным генератором для питания испытуемого двигателя.
Наличие различных вариантов схем, работающих по аналогичному принципу и имеющих одинаковое назначение, требует обоснованного выбора одной из них в процессе проектирования комплекса для испытания асинхронных машин.
Проанализируем далее особенности эксплуатации данных схем и степень их влияния на сеть в плане потребляемой мощности и гармонического состава тока.
Все схемы, приведенные в [5-9] подразумевают постановку на испытательный стенд двух однотипных асинхронных машин, одна из которых (испытуемая) работает в режиме двигателя, а вторая (нагрузочная) - в режиме генератора.
Схема, приведенная в [6], изображенная на рис. 1, является уточнением схемы, приведенной в [5]. Данное уточнение касается только пуска схемы и не затрагивает принципов ее работы под нагрузкой. В схеме, приведенной в [7], два параллельно работающих выпрямителя заменены на один. В связи с этим анализ работы трех схем [5, 6, 7] в установившемся режиме можно объединить: электрические машины в данных схемах работают в идентичных условиях, принцип преобразований тока в них также одинаков.
_^Х?
Рис. 1. Схема испытаний с нагрузочным асинхронным генератором
Схема, приведенная в [8], подходит только для испытания асинхронных двигателей, предназначенных для работы от сети с синусоидальным напряжением. В связи с тем, что данная схема применяется для испытания асинхронных двигателей с другим источником питания, из дальнейшего сравнительного анализа данную схему исключаем.
Схема, приведенная в [9], детальное описание работы которой приведено в [11], обеспечивает нагружение асинхронного двигателя до номинального режима только при строго определенной частоте питающего напряжения, что на практике означает нарушение требований, приведенных в ГОСТ [12, 13]. В связи с этим из дальнейшего сравнительного анализа данную схему также исключаем.
Ту же область применения, что и схема, приведенная в [6], имеет схема испытаний, предложенная в [10], изображенная на рис. 2. Однако ее отличие состоит в том, что в качестве нагрузочной машины в ней применен генератор постоянного тока, который входит в состав испытательного комплекса.
Рис. 2. Схема испытаний с нагрузочным генератором постоянного тока
Очевидное преимущество такой схемы состоит в том, что даже при поступлении на испытания одного асинхронного двигателя имеется возможность провести его испытания. Все предыдущие схемы [5-9] требуют поступление на испытания одновременно как минимум двух асинхронных двигателей. Это расширяет возможности применения, но в то же время приводит к удорожанию испытательного комплекса, выполненного по схеме с нагрузочным генератором постоянного тока (см. рис.2).
Следует отметить, что все перечисленные схемы испытаний имеют в своем составе преобразователи частоты, осуществляющие широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, подаваемого на обмотку статора асинхронной машины. ШИМ напряжения на выходе ПЧ является причиной несинусоидальности тока, потребляемого им из сети [14]. При достаточно большой мощности испытательного комплекса это может послужить причиной нарушений в работе подключенного к той же сети электрооборудования [15].
Проведем сравнительный анализ степени влияния на электрическую сеть испытательных комплексов с нагрузочным асинхронным генератором (АГ) (см. рис. 1) и нагрузочным генератором постоянного тока (ГПТ) (см. рис. 2).
С целью получения инструмента для анализа физических процессов, происходящих в различных схемах взаимной нагрузки, ранее были разработаны соответствующие математические модели [16]. Применение данных моделей позволяет найти ток, протекающий на выходе выпрямителя /вып, зная который, можно рассчитать ток, протекающий по фазе А сети, следующим образом:
(г ) =
вып - /
(г), если [ил (г) > ив (г)] п [ил (г) > ис (г)]; (г), если [ил (г) < ив (г)] п [ил (г) < ис (г)];
вып 0, иначе,
где X - время; мл, ив, ис - фазные напряжения в сети.
Ток фазы В можно найти следующим образом: /
(1)
/в (г ) =
вып - /
(г), если [ив (г) > ил (г)] п[ив (г) > ис (г)]; (г), если [ив (г) < ил (г)] п [ив (г) < ис (г)];
вып 0, иначе,
Аналогичным образом можно найти ток фазы С: /
(2)
/с (г ) =
вып - /
(г), если [ис (г) > ив (г)] п [ис (г) > ил (г)] (г), если [ис (г) < ив (г)] п [ис (г) < ил (г)];
(3)
вып 0, иначе.
Расчетный ток фазы л, потребляемый из сети при испытании асинхронного двигателя номинальной мощностью Рн = 0,37 кВт для схемы с нагрузочным асинхронным генератором (см. рис 1) при частоте ШИМ равной 4000 Гц приведен на рис.3.
Гармонический состав данного тока (см. рис. 3) представлен на рис. 4. Для компактности отображения приведены гармоники и субгармоники с номерами не выше восьмой. Также следует отметить, что достаточно высокие значения (сопоставимые с основной гармоникой) имеют гармоники близкие к кратности 4000 Гц / 50 Гц = 80 (т.е. 79, 81, 159, 161, и т. д.).
Рис. 3. Фазный ток, потребляемый из сети схемой с нагрузочным асинхронным
генератором
0,8 0,6 0,4 0,2
г№ А
к N
0 12 3 45678 Рис. 4. Гармонический состав тока, потребляемого из сети схемой с нагрузочным АГ
Расчетный ток фазы А, потребляемый из сети схемой с нагрузочным генератором постоянного тока (см. рис 2) при тех же параметрах, приведен на рис.5.
3 2 1 0 -1 -2 -3
1л, А
Л с
0 0,005 0,010 0,015 0,020 Рис. 5. Фазный ток, потребляемый из сети схемой с нагрузочным ГПТ
Гармонический состав данного тока (см. рис. 5) представлен на рис. 6. Основной отличительной особенностью гармонического состава тока, потребляемого схемой с нагрузочным ГПТ, является то, что амплитуды субгармоник имеют значительно более низкие значения, чем в предыдущем расчете (см. рис. 4).
0,8 0,6 0,4 0,2
г№ А
N
0
Рис. 6. Гармонический состав тока, потребляемого из сети схемой
с нагрузочным ГПТ
2417722888881
Анализ результатов расчета (рис. 3-6) позволяет сделать вывод о том, что схема с асинхронным нагрузочным генератором потребляет из сети ток, который содержит помимо 5-й, 7-й и др. нечетных гармоник не кратных трем, также широкий спектр субгармоник с относительно высокой амплитудой. В схеме с нагрузочным генератором постоянного тока амплитуды субгармоник значительно ниже. Физически это объясняется тем, что в схеме с ГПТ присутствует только один источник ШИМ, а в схеме с АГ - сразу два источника с ШИМ различной частоты, работающих одновременно.
Анализ результатов расчета токов для двигателей номинальной мощностью Рн = 5,5 и Рн = 37 кВт приводит к тем же выводам.
Для количественного сравнения влияния особенностей различных схем рассчитан коэффициент искажения синусоидальности [17] для рассмотренных номинальных мощностей асинхронных двигателей. Результаты данного расчета приведены на рис. 7.
0,1 1 10 100 Рис. 7. Значения коэффициента искажения синусоидальности тока при различных номинальных мощностях испытуемых машин
Результаты расчета мощности, потребляемой из се-ти (Рс) схемой с нагрузочным АГ (см. рис. 1) и схемой с нагрузочным ГПТ (см. рис. 2), приведены на рис. 8. Анализ результатов данного расчета показывает, что при прочих равных условиях с ростом номинальной мощности испытуемого двигателя схема с нагрузочным АГ имеет относительно меньшее потребление мощности, чем схема с ГПТ.
0,1 1 10 100 1000 Рис. 8. Отношение мощности, потребляемой схемой из сети, к номинальной мощности испытуемого двигателя
Более наглядное сравнение энергетической эффективности схем дает рис. 9, на котором представлено во сколько раз суммарные потери в паре машин (испытуемая и нагрузочная) в схеме с нагрузочным ГПТ (Рсх.гит) выше, чем те же потери в схеме с нагрузочным АГ (Рсх.Аг).
-Рсх.ГПТ
2,0 1,5 1,0 0,5
°0,1 1 10 100 1000 Рис. 9. Отношение потерь в машинах схемы с нагрузочным ГПТ к потерям схемы
с нагрузочным АГ
Проведенный сравнительный анализ влияния на сеть комплексов испытаний асинхронных машин, применяющих метод взаимной нагрузки, в диапазоне номинальных мощностей двигателей от 0,37 кВт до 37 кВт позволяет сделать следующие выводы. Испытательные комплексы, имеющие в своем составе нагрузочный ГПТ, имеют меньший коэффициент искажения синусоидальности тока, чем комплексы с нагрузочным АГ, и, следовательно, оказывают меньшее влияние на устройства, подключенные к той же электрической сети. В то же время, испытательные комплексы с нагрузочным АГ при средних и больших номинальных мощностях испытуемых двигателей имеют меньшие потери в схеме, потребляют из сети меньшую мощность и, следовательно, обладают более высокой энергетической эффективностью.
Список литературы
1. О введении в действие руководства по техническому обслуживанию и текущему ремонту тяговых электродвигателей локомотивов: распоряжение ОАО «РЖД» от 02.11.2009, № 2229р. Доступ из справ.-правовой системы «Консультант Плюс».
2. Об утверждении руководства «Электропоезда. Общее руководство по техническому обслуживанию и текущему ремонту»: распоряжение ОАО «РЖД» от 01.02.2008, № 185р. [Электронный ресурс] URL: http://lawru.info/dok/2008/02/01/ n273979.htm (дата обращения: 16.11.2018).
3. ГОСТ 2582-2013. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. Введ. 01.01.2015. М.: Стандартинформ, 2014. 56 с.
4. ГОСТ 11828-86. Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний. Введ. 01.07.1987. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. 31 с.
5. Патент 2433419 РФ. Способ испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки / Авилов В. Д., Володин А. И., Данковцев В. Т., Лукьян-ченко В. В., Панькин Е. В. Опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31.
6. Патент 140678 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / Д.И. Попов, В.Д. Авилов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.05.2014. Бюл. № 14.
7. Патент 45998 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / Авилов В.Д., Харламов В.В., Попов Д.И., Литвинов А.В. Опубл. 27.09.2014. Бюл. № 27.
8. Патент 143348 РФ. Устройство для испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.07.2014. Бюл. № 20.
9. Патент 80018 РФ. Устройство для испытания асинхронных тяговых электродвигателей / Рапопорт О.Л., Цукублин А.Б., Бейерлейн Е.В. Опубл. 20.01.2009. Бюл. № 2.
10. Патент 178716 РФ. Стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки / В.В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 17.04.2018. Бюл. № 11.
637
11. Бейерлейн Е.В., Рапопорт О. Л., Цукублин А.Б. Схема испытания тяговых частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей // Известия вузов. Электромеханика. 2006. №3. С. 46 - 48.
12. ГОСТ Р 53472-2009. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний. Введ. 01.01.2011. М.: Стандартинформ, 2011. 42 с.
13. ГОСТ 25941-83. Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия. Введ. 01.01.1984. М.: Издательство стандартов, 2003. 29 с.
14. Фираго Б.И., Медведев К.М., Павлячик Л.Б. Электромагнитная совместимость системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» с системой электроснабжения // Электромашиностроение и электрооборудование. 2006. №66. С. 263 -264.
15. Ефанов В.И., Тихомиров А. А. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. М.: ТУСУР, 2012. 229 с.
16. Попов Д.И. Математическое моделирование физических процессов в испытательных комплексах электрических машин // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 79 - 84.
17. ГОСТ Р 54130-2010. Качество электрической энергии. Термины и определения. Введ. 01.07.2012. М.: Стандартинформ, 2012. 32 с.
Попов Денис Игоревич, канд. техн. наук, доцент, popovomsk@yandex. ru, Россия, Омск, Омский государственный университет путей сообщения
HARMONIC ANALYSIS OF THE COMPOSITION OF THE CURRENT CONSUMED BY THE COMPLEXES OF TESTS OF ELECTRICAL MACHINES
D. I. Popov
The article is devoted to the comparative analysis of the impact on the network of electrical systems designed for load testing of asynchronous machines using the method of mutual load, which allows you to effectively use the electrical energy generated by the load generator to power the test engine. Mathematical modeling is performed for the rated load mode of induction motors with power of 0.37, 5.5 and 37 kW. Analysis of the results of mathematical modeling revealed that the circuit with a DC load machine, which has only one frequency Converter, has lower values of the current sinusoidal distortion factor than the circuit with an asynchronous loading machine, which has two frequency converters in its composition. The relatively high values of the subharmonic amplitudes in the latter scheme are explained by the simultaneous operation of two sources that form an alternating voltage with a different frequency by pulse-width modulation. Comparison of losses in different test schemes shows that the circuit with a DC load machine is less energy efficient at high power machines, due to the fact that the nominal efficiency of DC machines of high power, as a rule, slightly lower than the nominal efficiency of asynchronous machines of the same power.
Key words: test complex, harmonic analysis, induction machine, the method of mutual load.
Popov Denis Igorevich, candidate of technical sciences, docent, popovomskayandex.ru, Russia, Omsk, Omsk State Transport University
